RAILPROF Handleiding RAILPROF HANDLEIDING Mei 2005 ECS P.O. Box 331 Tel: +31 418 516369 Bank acc: 3743.75666 NL-5300 AH Zaltbommel Mobile: +31 6 54368360 Vat (btw): NL 009598200B01 The Netherlands Fax: +31 418 516372 Trade reg: 11021615 Tiel Email: info@esveld.com Internet: http://www.esveld.com
1. INLEIDING Per 01-01-05 heeft ProRail de krachtafhankelijke lasgeometrienormen ingevoerd. Dit vereist het bepalen van de eerste afgeleide (gradiënt) van de geometrie, welke getoetst wordt aan een snelheidsafhankelijke norm. Om eea doeltreffend in real-time te kunnen uitvoeren is besloten de RAILPROF draadloos aan te sturen met een PDA (Pocket PC) en alle berekeningen in de PDA uit te voeren. In principe zijn alle PDA s met Windows Mobile 2003 of hoger hiervoor geschikt. 2. ALGEMENE GEGEVENS RAILPROF De RAILPROF is een meetinstrument voor het nauwkeurig meten van longitudinale railgeometrie in Zowel vertikale als horizontale richting over een lengte van 1000 mm, bij een omgevingstemperatuur tussen de -10 ºC en +40 ºC. De metingen worden uitgevoerd door twee contactloze sensoren binnen de behuizing van de RAILPROF, welke worden voortbewogen via een stappenmotor. Elke 5 mm wordt een meting gedaan. De meetnauwkeurigheid bedraagt +/- 0.03 mm bij afwijkingen tot +/- 0.5 mm ten opzichte van een rechte lijn tussen het eerste en laatste meetpunt. Voor grotere afwijkingen is de nauwkeurigheid 5 % van de meetwaarde tot een afwijking van ongeveer 1.5 mm. De metingen worden niet beïnvloed door vocht, roest en vuil op het railoppervlak; het werkelijke metalen oppervlak onder de vervuiling wordt gemeten, zodat het niet nodig is om van te voren het railoppervlak te reinigen. Eea is het gevolg van de toegepaste wervelstroom meetprincipe. De meting kan niet door de degene die meet worden beïnvloed. Door de toepassing van kooldraadstangen is de RAILPROF licht, sterk en robuust. Het gewicht is ongeveer 6 kg bij een lengte van 1.16 m. De RAILPROF is Zowel makkelijk als veilig te bedienen. Door de aansturing met de PDA kunnen alle gegevens vooraf via zogeheten sjablonen worden voorbereid en ingevoerd. De meting kan op afstand worden uitgevoerd. De RAILPROF is eenvoudig op de rail te plaatsen en wordt altijd in de juiste stand gepositioneerd en vastgehouden door magnetische voetjes. LCD Vertical ASCII file x vert hor -600 0.00 0.00-595 0.01 0.02-590 0.02 0.03-585...... -580...... Reference line Het meten van top en zij duurt op zich ongeveer 10 seconden. Het oversturen van de gegevens naar de PDA en het maken van de diverse berekeningen in de PDA kost ongeveer 6 seconden. Meetprincipe 1000 mm 3. INSTALLATIE SOFTWARE De RAILPROF wordt geleverd met PDA, inclusief voorgeïnstalleerde software. Om de PDA aan de desktop te kunnen aansluiten moet eerst het programma Active Sync van Microsoft op de desktop worden geïnstalleerd. Dit programma staat op de installatie CD in de doos van de PDA. De nieuwste versie kan men downloaden van de Microsoft download site: http://www.microsoft.com/downloads/details.aspx?familyid=d2645c21-8a85-45a2-8d13-653beb6cdddc&displaylang=en. - 1 -
Vervolgens cradle via USB aansluiten op desktop en PDA in cradle plaatsen. Volg instructies op het scherm. Via Active Sync kunnen allerlei zaken worden gesynchroniseerd, waaronder een complete directory. Men zou dus de directory met de meetresultaten van de RAILPROF automatisch kunnen synchroniseren met een directory op de desktop. Zodra de PDA in de cradle wordt gezet start de synchronisatie. Wanneer de PDA opnieuw moet worden geconfigureerd of wanneer een update moet worden geïnstalleerd is de procedure als volgt: 1. Download de laatste versie van het installatiebestand van de PDA software (RailProfPDA_PPC.ARMV4_x.CAB) van de internet site www.esveld.com, via downloads RAILPROF en Software Railprof_PDA 2. De file is een zogenaamde cab-file en dient in de PDA te worden geplaatst, bijvoorbeeld op de Secure Digital (SD) insteekkaart. Dit geschiedt via Active Sync op de dektop. Ga naar My Device, en vervolgens naar Storage Card. Plak de cab-file op de SD kaart. 3. Ga nu in de PDA via File Explorer naar My Device en vervolgens naar Storage Card en klik met de pen op de cab-file. Deze installeert nu alle onderdelen, dwz het programma Railprof, een sjabloon directory met een sjabloon Project, alsmede de mappen Railprof Device en Railprof Projects. De meetdata worden automatisch naar de SD-kaart geschreven, met per sjabloon een map. In de directory Program Files\Railprof PDA staat de file Config.xml waarin de locaties van de files zijn vastgelegd. 4. De cab-file wordt na installatie van de programma s automatisch verwijderd. Het programma Railprof vindt men via het menu Start in de directory Programs. Men kan ook een shortcut maken en deze in het menu start plaatsen, zodat Railprof direct via het menu Start te bereiken is. 5. De taalafhankelijke onderdelen zijn vastgelegd in Localization.xml, in Program Files\Railprof PDA. - 2 -
4. HOOFDMENU Bij het opstarten van het programma Railprof op de PDA verschijnt het rechts afgebeelde hoofdmenu. Hierin kan gekozen worden uit de volgende onderdelen: - Setup: maken van sjablonen waarin de gegevens voor een meting van te voren zijn opgeslagen; - Projects: meetresultaten; - Measure: uitvoeren van de daadwerkelijke meting; - RP Status: status van de Railprof zelf; - RP Off: uitschakelen van de RAILPROF (heeft zelf geen uit-knop); - Exit: verlaten van het programma. Het is belangrijk om te benadrukken dat de Windows 2003 software minder stabiel is dan bijvoorbeeld Windows XP. Het kan gebeuren dat de PDA vastloopt en men moet dan op de achterkant van de PDA de resetknop kort indrukken. Alle variabelen en werkgeheugens worden gereset. - 3 -
5. METEN - Alvorens een meting uit te voeren wordt op de PDA Bluetooth geactiveerd (icoon rechts onder) en wordt op de PDA het Railprof programma gestart. Men vindt hier zes knoppen voor verschillende functies. Bij Setup vindt men de zogeheten sjablonen. Hierin kunnen vooraf de juiste gegevens worden opgenomen die voor een meting belangrijk zijn en onder een aparte naam worden opgeslagen.het Actieve Sjabloon wordt tijdens het meten gebruikt. - Zet RAILPOF op de las en schakel deze in. Het rode lampje gaat branden. Na 10 minuten niet gebruikt te zijn schakelt de RAILPROF vanzelf uit. Om opnieuw te meten druk op schakelaar zodat lampje weer brandt. - Zorg dat het juiste sjabloon geactiveerd is en tap Meten. Nu verschijnt het actieve sjabloon en eventuele laatste veranderingen kunnen worden aangebracht. - Tap Meten om de meting te starten. - Bluetooth vraagt nu welk apparaat gekozen moet worden. Tap de naam van de RAILPROF (=serienummer RPxxxx ). - Na voltooiing van de meting ( top en zij worden in een keer gemeten en in een record opgeslagen), die ongeveer 10 seconden duurt, worden de resultaten automatisch overgestuurd naar de PDA. Deze voert alle berekeningen uit zoals filteren korte golven, trend, bepalen eerste afgeleide voor de top, etc.. - Via de menublak aan de onderzijde kan door de resultaten worden gebladerd. Bij Info ziet men de gegevens van het sjabloon; alleen de variabele informatie kan worden gewijzigd, bijvoorbeeld kilometrering, locatie, etc. De snelheid kan niet meer worden veranderd omdat de normen daaraan zijn gekoppeld. De filenaam is uniek, dwz deze bevat het serienummer (4175 in voorbeeld), datum en tijd. De extensie is altijd xml. - Als de meting bekeken is tap op OK. Nu kan men kiezen uit wel of niet opslaan. Daarna heeft men de keuze uit Meten nieuwe las, Opnieuw meten, Ga terug of Exit. Tevens wordt in dit scherm de geactualiseerde batterijstatus weergegeven. - Wanneer de las opnieuw wordt gemeten omdat de geometrie nog niet goed was springt het programma na de meting terug naar het laatste scherm. In de praktijk zal dat meestal Top_Kwal zijn. Nadat de las is goedgevonden kan na OK op Opslaan worden getapt. - Bij de volgende meting worden de variabele gegevens van de oude meting in het geheugen gehouden, zodat alleen de wijzigingen hoeven te worden ingevoerd. Voor elke meetlocatie kan een sjabloon worden gecreëerd. De waarden uit het actieve sjabloon worden in de huidige meeting gebruikt. - 4 -
Men kan dus zelf sjablonen aanmaken voor projecten. Per sjabloon worden de meetresultaten in een aparte map gezet op de SD-kaart. In het voorbeeld gaat het om de projecten: Project_80, Project_140, Project_300. RailProfProjects wordt aangemaakt voor Project die standaard bij de installatie wordt gegenereerd. Naderhand kunnen de variabele gegevens alsnog worden gewijzigd via het hoofdmenu en Projecten. Via folder kan de betreffende map worden geselecteerd. 6. PRORAIL NORMEN VOOR LASGEOMETRIE De in de PDA software toegepaste normen zijn gebaseerd op een studie van de TU Delft. Deze normen zijn per 1 januari 2005 door ProRail ingevoerd. Voor de vertikale geometrie geldt: v 40 km/u: 3.2 mrad 40 v 80 km/u: 2.4 mrad 80 v 140 km/u: 1.8 mrad 140 v 200 km/u: 0.9 mrad 200 v 300 km/u (HSL): 0.7 mrad Voor de zijdelingse geometrie geldt: v 40 km/h: +/- 1.0 mm 40 < v 80 km/h: +/- 0.7 mm 80 < v 300 km/h: +/- 0.5 mm - 5 -
7. MEETRESULTATEN Na het uitvoeren van een meting kan men door de resultaten bladeren via de menubalk onder in het scherm. Dit ook achteraf door in het hoofdmenu naar Projects te gaan. Onderstaand ziet men een voorbeeld van de verschillende resultaatschermen. POSP = maximale positieve pijlwaarde, NEGP = maximale negatieve pijlwaarde, POSH = maximale positieve helling, NEGH = maximale negatieve helling (over 20 cm, bepaald in het gefilterde signaal). - 6 -
QI = kwaliteitsindex volgens Prorail norm (moet kleiner dan 1 zijn), absolute norm in mrad als functie van de snelheid. GA = gemiddelde amplitude golfband 0 20 cm, GG = gemiddelde golflengte, GSD = gemiddelde slijpdiepte. - 7 -
POSP = maximale positieve pijlwaarde, NEGP = maximale negatieve pijlwaarde, POSH = maximale positieve helling, NEGH = maximale negatieve helling (over 20 cm, bepaald in het gefilterde signaal). - 8 -
QI_posp_zij en QI_negp_zij = snelheidsafhankelijke ProRail norm voor de pijlwaarden De werkelijke waarden voor de pijlwaarden staan in het scherm ZIJ_MEAS. Indien de lading van de RAILPROF- batterij tot onder de 20 % is gedaald verschijnt de tekst in rood. Bij 10 % geeft de RAILPROF een signaal en moet men zo snel mogelijk stoppen. Bij 5 % wordt verder meten door de software geblokkeerd. Wanneer de batterij verder zou leeglopen kan er niet zondermeer worden opgeladen. De batterij dient dan losgekoppeld te worden om de stroom te verbreken en vervolgens weer te worden aangesloten. Daarna kan normaal worden opgeladen 8. DEVICE STATUS The status van de RAILPROF kan worden opgevraagd door middel van Device Status. Dit scherm geeft het serienummer, de versie van de interne RAILPROF software, de batterijstatus als percentage van een volledig gevulde batterij en de temperatuur. - 9 -
De batterijspanning is belangrijk omdat deze waarde aangeeft hoe lang er nog gewerkt kan worden. Onder normale omstandigheden kan er 8 uur continu gemeten worden, hetgeen ruim voldoende is voor het meten van 200-300 lassen. Als de batterij nog 20 % lading heeft volgt er een waarschuwing en bij 10 % een alarm. Recharging after a shorter period of operation is possible without shortening the life of the battery. To save the battery the RAILPROF automatically switches off after 10 minutes of inactivity. In order to charge the battery the cable of the charger has to be connected with the connector at the right side of the RAILPROF. The charger will work with any voltage between 100 and 260 Volt and any frequency between 50 and 60 Hz.It is not necessary to switch the RAILPROF on. A red light close to the connector shows the battery is being charged. When the battery is almost full the colour will slowly change to green. A fully charged battery shows green. Overloading a battery is not possible, the charging process stops when the battery is full. Charging an empty battery takes approximately 14 hours. The recommended procedure is to charge the battery overnight. The cable can be removed by pulling the connector, this will unlock the connector. PULLING THE CABLE WILL CAUSE DAMAGE! The expected lifetime of a battery is several years. After that the battery has to be replaced. Batteries are available from ECS. The battery is located in a compartment behind the lid next to the connector at the right side of the RAILPROF. 9. THE PC DESKTOP SOFTWARE Installation: The PC software runs under WINDOWS XP. The software has to be copied to the hard disk of a personal computer, using the standard windows procedures. The PC program is called RP_GUI (RP for RAILPROF, GUI for Graphical User Interface). It has to be copied, together with the.ini file, the dll file and the manuals, to the directory where the system manager wants it. The ini-file contains the language dependent information and can be modified by the user with a text editor such as Windows Notepad. To handle measurements the first thing to do is copying the reports from the memory card to the map where they are wanted, using the standard WINDOWS procedures. Usually there will be a subdirectory for every job. After clicking the icon of RP_GUI the opening screen appears. At first the map has to be opened where the reports are copied, using the yellow standard WINDOWS icon, selecting a map and clicking a report. A series of profiles is available in Profile_examples. The profile will appear and some data. It can be made full screen by clicking the right icon. - 10 -
Assessment of weld geometry Basically the vertical (Top) and horizontal (Hor.) profiles, if measured, can be viewed. Top Measured shows the profile as measured, without any filtering. The user can set the position of two red lines and click apply. Default is +/- 0.5 mm. This option just gives a quick look at maximum values (versines). At the bottom of the screen the vertical positive and negative versines as well as the inclinations are given. The inclinations are calculated over a length of 20 cm. Top assessment shows the first derivative of the geometry from which the irregularities shorter than 25 mm have been removed by filtering. This signal is scaled according to the speed in such a way that if the signal is less than 1 the weld is OK and if larger than 1 is rejected. The maximum allowable inclination according to the Dutch Infra Manager ProRail is for an operational speed of 40 km/h (marshalling yards) 3.2 mrad, for 140-200 km/h 0.9 mrad and for high-speed 0.7 mrad. For further details please refer to the article FORCE-BASED ASSESSMENT OF WELD GEOMETRY in the appendix. For the horizontal direction two screens are available. In this case only unfiltered data are used. Assessment of rail corrugation and rail grinding Top Corrugation shows the high-pass filtered vertical geometry signal in the band 0 20 cm. This screen should be used for monitoring rail corrugation and grinding results. The user can set the red horizontal lines to have a quick overview of exceedences. The default values are +/- 0.05 mm. The user can alter the settings in the screen menu, but can also change the default values in the file RP_GUI.INI. - 11 -
If required two profiles can be compared via Compare by displaying them in one screen. Both are shown. - 12 -
The print preview icon gives a preview of the printed page and can optionally print it. - 13 -
The printer icon gives the possibility to print a number of consecutive measurements. A window appears where the relevant directory can be selected. The first file to print is chosen by clicking the filename, the last is chosen by keeping the shift key pressed, going to the last report to print and clicking its file name. This feature is especially important if a series of measurements should be printed as one pdf file. The files are selected as described above and then one of the six evaluation screens should be selected. After pressing OK a preview of the selected files is displayed. At the top of this screen the printer setup should be selected to choose the pdf printer. Next give the print command and now one integrated pdf file is produced. An example is also stored in the directory Profile_examples. - 14 -
10. DEFINITIONS The profile is defined as the deviation from a straight line connecting the first and the last measured point. This is displayed without further processing. For the other parameters the profile is split up into long waves (the trend) and short waves. The trend in every point is the mean value over a length of 10 cm on either side. The positive and negative versine are the highest and lowest points of the trend. The positive and negative slope are the steepest ascending and descending point of the trend. The short waves are the difference between profile and trend. The average amplitude is based on the short waves. It is the average of the maxima minus the average of the minima. The average wavelength is twice the average distance between (ascending and descending) zero crossings. A grinding index is a measure for the amount of material that has to be ground away over the measured length of 1000 mm of the rail. It is a weighted average of the positive part of the trend. The profile is defined as the deviation from a straight line connecting the first and the last measuring point. Explanations Sometimes the finer structure of the profile is not relevant, so it can be removed, leaving the general trend, also called the long waves. The short waves are explained under question 2. The trend in any point is defined as the average of the profile from 10 cm left to 10 cm right of that point. It is often used for positioning rails prior to welding. It is also used in combination with the definition of other parameters, used to describe the quality. - 15 -
Versine definitions The positive versine is the highest point of the trend. The Netherlands Railways Standards 1 require this value to be less than 0.3 mm vertical after welding and less than 0.2 mm after finish grinding. The negative versine is the lowest point of the trend. It should be greater or equal to 0 mm. The positive inclination is the steepest point of the trend, assuming the train runs from left to right on the graph, as it will do on the right rail. At this point the wheel of the train has the highest velocity in vertical direction. Over 200 mm the inclination should be less than 1:1000 in vertical direction. The negative inclination has the same effect for the other (left) rail where the train will run from right to left on the graph. So the requirements will be the same. Horizontally the requirements are: versine between 0.5 and 0.5 mm, inclination over 200 mm less than 1:500. Grinding index The grinding index is a global measure of the amount of material that has to be ground away to get a rail profile with a positive versine equal to the highest allowed value. Mathematically it is the weighted average of the difference between the trend and a parabola through the first and last measuring point with its top at the highest allowed value of the positive versine, being 0.2 mm. Please note that the grinding index can be used as an indication only, as the actual grinding work depends on several factors, such as the grinding machine used for the job. Amplitude Peak to peak value = 2 * amplitude Wavelength Corrugation Corrugation is the deformation of the rail profile from a straight line into a shape as shown in the figure below. Wavelength and amplitude are indicated in the figure. In general the corrugation wavelength is 3 to 4 cm. As compared with the trend (the long waves) the wavelength is relatively short. When corrugation takes place the amplitude of the deformations builds up gradually, creating noise as trains pass by. In the process the rail material toughens locally in phase with the corrugation waves, causing a faster reoccurrence of corrugation waves after grinding, if one waits to long with the grinding. To prevent this, grinding should take place when the amplitude of the corrugation waves is approaching 0.05 mm peak to peak. The short wave profile is defined as the difference between the total profile and the long wave profile. If the long waves are removed one can zoom in further without the long waves causing the graph going off the screen. In this way an accurate look at the corrugation is made possible. (On the RAILPROF zooming in is done by pressing the > key, the WINDOWS software is doing it automatically.) Deviations due to horizontal curves The radius of a rail curve commonly in use by metro companies is 100 m. Then over a measuring length of 1.0 m the horizontal deviation from a straight line in a curve is 1.25 mm or less. As the top surface in the middle of the rail is nearly flat (R = 300 mm) this deviation has no significant effect (less than 1 micron) on the measurement of the profile of the rail top. 11. SOFTWARE LICENCIES The software in the RAILPROF and the PC can only be used together with the RAILPROF. This makes it possible to combine the licenses of the software with the serial number of the RAILPROF. 1 See Esveld, C.: Modern Railway Track 2 nd Edition, ISBN 90-8004-324-3-3, page 316-16 -
FORCE-BASED ASSESSMENT OF WELD GEOMETRY Appendix 1 ProRail introduced new welding standards Introduction As per first of January 2005 ProRail in The Netherlands introduced new standards for the assessment of weld geometry. For the vertical geometry the versine is no longer decisive, but the force between wheel and rail. Delft University of Technology has developed a fast algorithm to estimate the vertical force along the weld [1]. The maximum force is then tested against a speed dependant force norm. To make everything more understandable the forces have been normalized by dividing them by the load norm. In this way a so called quality index is introduced (QI). This QI should be less than 1 to approve a weld (Figure 1). The algorithm for the weld assessment in fact looks at the first derivative (inclination) of the weld geometry. The maximum allowable inclination for an operational speed of 40 km/h (marshalling yards) is 3.2 mrad, upto 80 km/h 2.4 mrad, upto 140 1.8 mrad, for 140-200 km/h 0.9 mrad and for high-speed 0.7 mrad. High quality rails should fulfil the requirement that the peak to peak value over 3 m (circumference of the straightening rolls) should be less than 0.3 mm, i.e. an amplitude less than 0.15 mm. Theoretically this corresponds to a first derivative of about 0.3 mrad. Recent measurement have shown that actual values for new high-speed rails are better than 0.7 mrad. - 17 -
Theoretical background In principle the dynamic force between wheel and rail can be approximated by the simple formula based on the principle Force = mass times acceleration : F dyn =m z(t) && e As for very short wavelengths not the total unsprung mass will accelerate the assumption was made that the effective mass is linear with the wavelength according to wavelength (2 m). For a harmonic signal ( π λ ) 2π v F = & dyn M z λ 0 = 0 m = M λ λ, with λ 0 being some reference e 0 z z sin 2 vt/, it follows that: Due to the assumption of a linear relation between wavelength and effective mass, this expression is independent of λ and holds for any arbitrary function z. Via dx = v dt the relationship with the rail geometry (inclination) is found: F dyn 2π v = M λ 0 2 dz dx So the force is proportional to the first derivative of the geometry and the square of the operating speed. The unsprung mass is set to 2,000 kg. RAILPROF For many years ECS produces the RAILPROF electronic straightedge. With the development of the new weld standards no longer a simple analysis algorithm could be used. Instead more sophisticated calculations were required. For this reason it was decided to use a PDA hand held computer (Figure 1). All data such as Location, Track/Switch, Rail Left or Right, Weld Type, etc. can be keyed in before. Time and date are stored automatically. If the PDA is connected to a GPS antenna the location is also filed automatically. With the PDA a command is given to start the measurement. After completion the RAILPROF transfers the raw measuring data to the PDA, which directly carries out the required analyses. If the standards are exceeded further finish grinding is necessary and again a measurement is done. This procedure is repeated until the weld is within specifications. At that time the vertical and lateral weld geometry are stored in the PDA. References [1] C. Esveld, M.J.M.M. Steenbergen: FORCE-BASED ASSESSMENT OF WELD GEOMETRY, International Heavy Haul Conference, Rio de Janeiro, June 2005. [2] http://www.esveld.com For further information please contact: ECS P.O. Box 331 Tel: +31 418 516369 Bank acc: 3743.75666 NL-5300 AH Zaltbommel Mobile: +31 6 54368360 Vat (btw): NL 009598200B01 The Netherlands Fax: +31 418 516372 Trade reg: 11021615 Tiel Email: info@esveld.com Internet: http://www.esveld.com - 18 -
NAUWKEURIGHEID RAILPROF Appendix 2-19 -
Interpretatie van de meetresultaten Voor de kalibratie van de RAILPROF wordt gebruikgemaakt van twee zogenaamde traprails, waarbij de eerste een positieve pijlwaarde van 1.5 mm heeft en de tweede een negatieve pijlwaarde van 1.5 mm. Bovenstaande meetresultaten tonen de resultaten van een vergelijking over een tijdsverschil van ongeveer 3 jaar. De absolute afwijking ten opzichte van de rechtheidsstandaard was maximaal 0.03 mm, terwijl de reproduceerbaarheid als verschil in pijlwaarde 0.01 mm bedroeg. - 20 -